Реакцией обмена называется взаимодействие двух веществ, распадающихся на ионы с образованием двух новых веществ, состоящих из этих же ионов. Частным случаем является взаимодействие твердого плохорастворимого вещества с раствором соли. Например:
BaSO4 + Na2CO3 = BaCO3 + Na2SO4
В этом случае два вещества - BaSO4 и BaCO3 находятся в осадке, но растворимость BaCO3 значительно меньше растворимости BaSO4. Поэтому если через колонку с BaSO4 пропустить раствор Na2CO3, то в жидкости, вытекающей из колонки, обнаруживаются ионы SO4, а в твердом остатке - ионы CO3. Мы наблюдаем обмен ионов SO4 и CO3. Такая реакция называется реакцией ионного обмена.
Аналогичный процесс проходит при использовании синтетических ионообменных смол (ионитов).
Синтетические иониты - это нерастворимые в воде полимерные вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Иониты выпускаются в виде зерен диаметром 0, 25-2 мм. Они состоят из высокомолекулярного каркаса (матрицы), несущего электрический заряд, и противоположно заряженных подвижных ионов (противоионов), компенсирующих этот заряд.
По своей химической природе синтетические ионообменные смолы делятся на катиониты, аниониты и амфолиты.
Катиониты обычно содержат группы кислого характера (-SO3H; -СООН и др.) и поглощают из растворов электролитов положительно заряженные ионы (катионы), выделяя в раствор катион водорода в эквивалентном количестве.
Аниониты содержат группы основного характера (RNH2; R2NH; R3N) и поглощают из растворов электролитов отрицательно заряженные ионы (анионы).
Амфолиты содержат кислотные и основные ионогенные (активные) группы, способные выполнять в зависимости от условий функции катеонитов и анионитов.
Процесс ионного обмена может быть представлен следующими уравнениями: катионообмен -
RSO3H+ Na+ Cl = RSO3Na+ H+ Cl RCOOH+ Na+ ОН = RCOONa+ H2O анионообмен -
R-CH2-[N(CH3)3]+ОН + Na+ Cl = R-CH2-[N(CH3)3]+Cl + Na+ OH
По степени диссоциации ионогенных групп катеониты могут быть сильно-, средне- и слабокислотные, а аниониты - сильно-, средне-и слабоосновные.
Иониты могут быть монофункциональными - имеющими в своем составе функциональные группы одного типа, или полифункциональными-имеющими в своем составе функциональные группы двух или более типов.
Катиониты, имеющие в качестве подвижных ионов ионы водорода, обозначаются как Н-катиониты. Вместо иона водорода (H+) в качестве подвижных ионов в катеонитах используют также ионы натрия. Такие катиониты называют Na-катионитами или катионитами в натриевой форме. Катиониты, в которых ионы водорода или натрия обменены на другие катионы, называют катионитами в солевой форме.
Аналогично этому к анионитам, насыщенным теми или иными анионами, применяют те же определения: ОН-форма, Сl-форма, SO4-форма и т. д.
Способность ионитов извлекать ионы из растворов используется, в частности, для очистки воды от содержащихся в ней солей. Но процесс очистки был бы малоэкономичным, если бы ионит нельзя было использовать повторно. Как следует из приведенных выше уравнений реакций, процессы ионного обмена обратимы. Поэтому пропустив через колонку с катионитом в Н-форме воду, содержащую небольшие количества хлористого кальция, мы получим слабый раствор соляной кислоты, а катеонит перейдет в солевую форму. После того как практически все ионы водорода в катионите будут обменены на ионы кальция, проводят регенерацию (восстановление) катеонита, для чего через него пропускают небольшой объем 10%-ной соляной кислоты. При этом из колонки вытекает достаточно концентрированный раствор хлористого кальция, а катионит вновь переходит в H-форму. Процесс регенерации можно повторять многократно.
Слабый раствор соляной кислоты, полученный после прохождения катионита, пропускают через колонку с анионитом. Из колонки вытекает деминерализованная (обессоленная) вода, анионит переходит в хлор-форму. Регенерацию анионитов проводят промывкой раствором едкого натра.
Учитывая то, что обмен ионов проходит по всему объему зерна, а не только с поверхности, иониты должны иметь следующие свойства: малую растворимость, а потому в структуре возможно большее число поперечных сшивок; достаточную набухаемость в растворах электролитов. Это свойство характеризуется удельным объемом набухшей смолы (в мл/г), обычно 2, 5 - 6, 0; химическую стойкость к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям; высокую обменную емкость, выраженную количеством поглощенных ионов в грамм-эквивалентах, отнесенных к единице массы или объема. Обычно объемная емкость в статических условиях находится в пределах 2-10 мг-экв/г ионита; многократно в течение длительного времени восстанавливать поглотительную способность после регенерации (обработки катионитов раствором кислот, анионитов - раствором едкой щелочи или соды); достаточную скорость прохождения ионообменных процессов.
Ионообменные смолы (иониты) получают поликонденсацией или полимеризацией мономеров, содержащих ионогенные группы, а также путем полимераналогичных превращений высокомолекулярных соединений. Производство полимеризационных ионообменных смол занимает ведущее место, так как они отличаются более высокой химической и термической стойкостью и повышенной механической прочностью. При введении инертного растворителя в процессе синтеза ионообменных смол возможно получение смол с явно выраженными физическими порами. Такие смолы называют ионитами макропористой структуры.
Процесс ионного обмена зависит не только от свойств ионитов, но и от ряда других факторов: природы обменивающихся ионов, состава растворов электролитов, условий и среды, в которых протекает процесс и т. д.
Универсальных ионитов, применяемых во всех случаях ионного обмена, нет. Иониты выпускаются в большом ассортименте, в том числе устойчивые к действию повышенных температур (термостойкие иониты), способные к избирательному (селективному) поглощению определенных ионов и др. И
Наибольшее применение иониты нашли: для химического обессоливания воды на тепловых электростанциях и в химических производствах, например в производствах полимеров суспензионным и эмульсионным методами, для очистки сточных вод от цинка, меди, ртути, капролактама и других вредных веществ; в пищевой и гидролизной промышленности. При глубокой очистке свекловичного сока с использованием ионитов улучшается кристаллизация сахара, удаляются красящие вещества и увеличивается выход кристаллического сахара. Ионитами очищают желатин, глицерин, глюкозу и другие пищевые продукты.
В биологии, медицине и фармацевтической промышленности иониты применяют для разделения аминокислот, деионизации и очистки продуктов гидролиза белков. В гидрометаллургии цветных и благородных металлов - для извлечения и концентрации меди, никеля, кобальта, цинка, золота, платины и др. В сельском хозяйстве - для улучшения процессов питания растений (введение азота, фосфора, углерода, калия, кальция, железа и прочих макро- и микроэлементов).
Водорастворимые иониты применяются в качестве флокулянтов, коагулянтов, осадителей в различных процессах, связанных с отделением твердой фазы от жидкости, для очистки питьевой воды, бытовых и промышленных сточных вод, в процессах сгущения концентратов руд цветных металлов и др.